裝配式建筑工程的抗震設(shè)防施工技術(shù)探討

王雙元

【摘要】裝配式建筑工程作為一種新型建筑方案，是近些年主流的工程建設(shè)形勢。傳統(tǒng)建筑工程抗震設(shè)防工藝在幾十年發(fā)展已經(jīng)十分成熟，而裝配式建筑抗震設(shè)防的研究還不夠成熟，行業(yè)也沒有提出抗震設(shè)防施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這就需要結(jié)合裝配式建筑抗震等級設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對裝配式建筑工程進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)，積極利用現(xiàn)代化技術(shù)，保證建筑工程整體的抗震性能?；诖?，本文結(jié)合某工程案例，分析工程抗?jié)B設(shè)防的重點(diǎn)與難點(diǎn)，探究裝配式建筑工程抗震設(shè)防施工技術(shù)包括抗震體系、節(jié)點(diǎn)連接、隔震體系、配件施工，并提出抗震設(shè)防的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑工程;抗震設(shè)防;施工技術(shù);應(yīng)用效益

中圖分類號：TU352.1+1

引言

隨著我國建筑工業(yè)不斷發(fā)展，近些年裝配式建筑在我國的應(yīng)用愈加廣泛。由于我國裝配式建筑工程應(yīng)用時(shí)間短，裝配式建筑框架結(jié)構(gòu)抗震性優(yōu)劣一直是社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問題。當(dāng)今國際上較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)理論是基于性能的抗震設(shè)計(jì)方案，并且被國際各國廣泛認(rèn)可，但在我國是否適用還需要另做研究。此外，裝配式建筑設(shè)計(jì)與施工離不開BIM技術(shù)的支持，通過也可以借助BIM軟件預(yù)測工程設(shè)計(jì)方案的抗震性能，這就需要積極利用先進(jìn)技術(shù)對裝配式建筑工程抗震性進(jìn)行分析，并針對性采用抗震設(shè)計(jì)施工技術(shù)，最大程度上保證裝配式建筑工程建設(shè)質(zhì)量。

1. 工程概況

如圖1所示，某公寓項(xiàng)目工程總共30層，（地下1層和地上29層），每層層高為3.3m，建筑總高度約為97.8m，工程總建筑面積為2.28萬㎡。該工程采用了國內(nèi)高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)、指揮技術(shù)、可變建造技術(shù)等，貫徹了開放共享理念。工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三星綠色建筑、二星健康建筑，預(yù)制裝配率在81.5%以上[1]。

本工程建設(shè)貫徹了《百年住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，采用了新型建筑體系、工業(yè)建造技術(shù)。采用了表面化設(shè)計(jì)方案，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、平面、戶型、立面等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，最大化提升使用效率、降低工程建設(shè)成本，發(fā)揮新型工業(yè)建造技術(shù)優(yōu)勢。中間層設(shè)置空中花園，是整棟樓的垂直健身跑道。頂層設(shè)置屋頂花園，營造開放的建筑空間，避免工程中有過多空間圍合房間。同時(shí)工程中設(shè)計(jì)了休閑區(qū)、露天健身區(qū)、聚餐區(qū)等[2]。

2. 工程施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)

該工程設(shè)計(jì)采用了裝配式組合架構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為100年，抗震性能為7度，Ⅲ類場地類型，第一組地震分組。工程整體設(shè)計(jì)上對結(jié)構(gòu)抗震性能、耐久性、預(yù)制構(gòu)件等方面提出了更高要求。

項(xiàng)目工程中應(yīng)用了多種創(chuàng)新型技術(shù)，設(shè)計(jì)階段就要整合各類專業(yè)信息，精準(zhǔn)落實(shí)設(shè)計(jì)者的表達(dá)意圖，加強(qiáng)防碰撞設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)失誤或施工失誤。由于工程功能豐富、系統(tǒng)繁雜，提高了施工工藝難度，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高，需多單位協(xié)調(diào)開展工作，配合協(xié)調(diào)難度大。

3. 裝配式建筑工程抗震設(shè)防施工技術(shù)

3.1抗震結(jié)構(gòu)體系

本工程采用了鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，作為一種常見的裝配式建筑形式，相比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）鋼混裝配結(jié)構(gòu)要比預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)更加綠色環(huán)保，無需模板施工，施工更加便捷;（2）相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼混裝配式建筑采用了組合構(gòu)件，可以在很大程度上提升結(jié)構(gòu)剛度，減少圍護(hù)體系變形幾率。為了滿足本項(xiàng)工程的功能需求，最終設(shè)計(jì)決定采用裝配式鋼框架和現(xiàn)澆混凝土剪力墻的組合形式。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示[3]，結(jié)構(gòu)施工抗震等級如表1所示[4]。

3.2節(jié)點(diǎn)連接

3.2.1工字形截面柱拼接頭

工程柱拼接節(jié)點(diǎn)是剛接節(jié)點(diǎn)，柱拼接頭在框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)外，在框架梁上方1.3m。為了提高運(yùn)輸、吊裝的便捷性，柱結(jié)構(gòu)安裝單元采用2層1根，長度不超過12m。根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，柱拼接主要是采用高強(qiáng)度螺栓、焊接連接方法。抗震設(shè)防要求的焊縫連接，采用全熔透坡口焊接。翼緣采用全熔透坡口焊接方案，腹板用螺栓連接，如果柱腹板使用焊接方案，要在腹板部位開K字形坡口，并且焊頭。

3.2.2箱形柱焊接接頭

本工程高層鋼結(jié)構(gòu)箱形柱和下部型鋼混凝土采用十字連接方案，施工中要重點(diǎn)考慮截面形式變化部位的力傳遞平順。箱形柱一部分力要傳遞給鋼混結(jié)構(gòu)中，另一部分傳遞到十字柱中。截面連接部分，將十字柱腹板摻入到箱形柱中，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)截面的過渡。深入長度為D+200mm以上（D為柱直徑）。過渡段主梁下端緊貼主梁。界面接頭上、下部位都要焊接栓釘，栓釘距離與過渡段間距為150-200mm，沿十字柱高不超過300mm[5]。鋼混裝配結(jié)構(gòu)的十字柱接頭，由于截面腹板采用高強(qiáng)度螺栓連接難度高，所以腹板、翼板均采用焊接方法。

3.2.3次梁與主梁連接

本工程的次梁和主梁連接采用鉸接方案，主梁同時(shí)充當(dāng)次梁支座，次梁為簡支梁。主梁加勁板和次梁腹板采用螺栓連接，如果次梁內(nèi)力、截面較小時(shí)可以在主梁腹板上直接連接。如果次梁跨數(shù)多、跨度大、荷載高時(shí)，要采用剛接方案，此時(shí)次梁為主梁續(xù)梁，降低次梁撓度，減少鋼材使用量。根據(jù)工程抗震標(biāo)準(zhǔn)的框架梁，梁端可能會(huì)產(chǎn)生塑性鉸處，距離柱軸線1/10～1/8梁跨部位，梁上下翼板設(shè)置側(cè)向偶撐，根據(jù)軸心受壓構(gòu)件計(jì)算其長細(xì)比。

3.2.4腹板開孔補(bǔ)強(qiáng)

如果管道要穿越梁腹板開孔部位時(shí)，要結(jié)合孔洞大小、部位確定是否要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作。如果圓孔直徑不高于梁高的1/3時(shí)，且孔洞間距為3倍孔徑時(shí)，不得在梁端1/8跨度范圍開孔，也可以不補(bǔ)強(qiáng)[6]。本工程的特性以及抗震等級要求，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作，梁翼緣負(fù)責(zé)承擔(dān)彎矩力，孔洞補(bǔ)強(qiáng)板、孔截面腹板共同承擔(dān)剪力。圓孔補(bǔ)強(qiáng)采用套管、環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板、梁腹板焊接V形加勁肋等方案。在梁腹板開方形孔時(shí)，會(huì)對腹板剪力性能造成很大影響，需要在洞口邊增設(shè)加勁板，縱向加勁板滲入到孔洞長度要大于方形孔高度，梁翼緣寬度為加勁肋的2倍，厚度和腹板相等。

3.3隔震

本工程主要是采用了吊式隔震方案，該方案十分適合高層、超高層建筑，是結(jié)構(gòu)上部與抗震結(jié)合的手段，借助建筑結(jié)構(gòu)本體質(zhì)量以及阻尼形成的減震裝置。吊式隔震技術(shù)實(shí)現(xiàn)了建筑上部結(jié)構(gòu)與地基之間的隔離，可以分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，在上下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置足夠安全的隔震系統(tǒng)，形成隔震層，借助"隔震"、"吸震"作用，如果發(fā)生了地震，可以減緩地震力、吸收地震源能量，減少結(jié)構(gòu)受到地震作用。支撐點(diǎn)將建筑懸掛在巨型鋼混結(jié)構(gòu)中，減少地震危害。該方案可以最大程度上減少建筑所承受的地震作用力。通過BIM仿真模擬對比發(fā)現(xiàn)，地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)作近似平動(dòng)，設(shè)置隔震層的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)力系數(shù)是不隔震層的建筑結(jié)構(gòu)的1/4-1/8，減震作用十分明顯，真正的讓地震和上部結(jié)構(gòu)“隔離”。簡單來說，該設(shè)計(jì)方案可以讓建筑結(jié)構(gòu)受到8級地震時(shí)，實(shí)際所受到的震動(dòng)僅相當(dāng)于5.5級地震，而5.5級地震幾乎無法損壞滿足抗震要求的建筑，實(shí)現(xiàn)了減輕地震對上部結(jié)構(gòu)造成損壞的目標(biāo)，還可以有效保護(hù)建筑裝修及室內(nèi)設(shè)備。

3.4配件施工

3.4.1框架梁

梁截面寬度要大于200mm，截面高寬比低于4，凈跨和截面高度比大于4。梁配筋確保梁端縱向受拉鋼筋配筋率在2.5%以內(nèi)，計(jì)入受壓鋼筋梁端混凝土受壓高度、有效高度比不超過0.35。梁端截面地面、頂面縱向鋼筋配筋量比值高于0.3。梁端箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑要滿足裝配式建筑施工標(biāo)準(zhǔn)，梁端縱向收拉鋼筋配筋率在2%以上時(shí)，箍筋直徑要增加2mm。

3.4.2抗震墻

抗震墻厚度大于160mm，不低于層高1/20，底部加強(qiáng)部位抗震墻厚度不低于200mm，不小于層高的1/16，1-3層為加強(qiáng)層，暗柱箍筋間距為150mm，雙排鋼筋間的美化拉筋距離為400mm。4-29層暗柱箍筋間距為200mm，拉筋為600mm。橫縱鋼筋配筋率不低于0.25%，采用雙排布置方案，拉筋間距為600mm，直徑為6mm以上。此外，在頂層連梁縱向鋼筋錨固范圍內(nèi)要增設(shè)箍筋[7]。

3.4.3抗震支架

如果發(fā)生了地震時(shí)，為了能夠降低地震對建筑結(jié)構(gòu)的破壞，要盡可能避免次生災(zāi)害發(fā)生，所以在給排水、供暖、空調(diào)、電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等工程設(shè)備設(shè)置抗震支架，包括錨固件、抗震連接構(gòu)件、加固吊桿、連接管、斜撐、型鋼等。

4. 抗震設(shè)防施工技術(shù)的應(yīng)用效益

采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)模型，選擇有限元非線性分析程序SAP2000，對整個(gè)模型進(jìn)行模擬、分析，使用PKPM構(gòu)建非隔震模型。考慮裝配結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度存在差異，所以要對模型節(jié)點(diǎn)區(qū)域剛度進(jìn)行重新設(shè)定。輸入工程建設(shè)區(qū)域地震動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)模型后，展開有限元分析，得出陣型周期信息表，和PKPM所得到的陣型周期信息基本一致，如表2所示[8]。

表1中兩個(gè)模型周期信息基本一致，SAP2000構(gòu)建的模型可以實(shí)現(xiàn)有限元分析，針對該工程29層裝配式結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防施工方案，分析整體抗震性，與未設(shè)置抗震設(shè)防模型對比。應(yīng)用了抗震設(shè)防施工技術(shù)，除了隔震層位移較大之外，上層建筑結(jié)構(gòu)的位移量非常小。從間層位移角度分析，位移數(shù)值可以完全滿足裝配置高層建筑的抗震標(biāo)準(zhǔn)。而沒有使用抗震設(shè)防的模型，位移角度變化量非常大，已經(jīng)超出了允許范圍值，難以滿足抗震要求，地震模擬中出現(xiàn)多處節(jié)點(diǎn)損壞，后期結(jié)構(gòu)倒塌。因此，本工程的抗震施工方案可以滿足當(dāng)?shù)乜拐鹦阅芤蟆?/p>

結(jié)束語

綜上所述，為了能夠進(jìn)一步提高裝配式建筑工程的建設(shè)安全，科學(xué)采用抗震設(shè)防施工技術(shù)可以有效減少地震的負(fù)面影響，提高建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。未來，還需要進(jìn)一步對裝配式建筑抗震技術(shù)的研究工作，提出標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的抗震標(biāo)準(zhǔn)和施工方案，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。

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